引言

人形機器人集成了許多子系統，包括伺服控制系統、電池管理系統 (BMS)、傳感器系統、AI 系統控制等。如果要將這些系統集成到等同人類的體積內，同時保持此復雜系統平穩運行，會很難滿足尺寸和散熱要求。人形機器人內空間受限最大的子系統是伺服控制系統。為了實現與人類相似的運動范圍，通常在整個機器人中部署大約 40 個伺服電機 (PMSM) 和控制系統。電機分布在機器人身體的不同部位，例如頸部、軀干、手臂、腿、腳趾等。該數字不包括手部的電機。為了模擬人手的自由操作，單只手即可能集成十多個微型電機。這些電機的電源要求取決于所執行的具體功能；例如，驅動機器人手指的電機可能只需要數安培電流，而驅動髖關節或腿的電機可能需要 100 安培或更高的電流。

與傳統伺服系統相比，人形機器人的伺服系統具有更高的控制精度、尺寸和散熱要求。本文介紹了 GaN（氮化鎵）技術在電機驅動器中的各種優勢，并展示了 GaN 如何幫助解決人形機器人中伺服系統面臨的挑戰。

更精確的控制

在伺服電機驅動應用中，電機控制通常分為幾個控制回路層：電流/扭矩回路、速度回路、位置回路和更高級別的運動控制回路。這些回路通常以級聯的形式排列，每個回路都有“實時”處理要求。電流/扭矩回路是速度最快的控制回路。每個上游回路以其之前回路的倍數運行，并為下游回路提供輸入參考。圖 1 顯示了典型的級聯控制拓撲。

圖 1 典型的伺服電機控制回路技術

控制回路最重要的部分是電流回路。通常，FET 開關頻率與電流回路相同，約為 8kHz 至 32kHz。電流回路的速度直接影響電機控制的精度和響應速度。人形機器人的一個簡單動作涉及多個伺服電機的控制。為了協調機器人身體中的近 40 個電機，同時保持系統的穩定性，每個關節的控制精度和響應速度必須滿足非常高的要求。可通過提高電機控制回路的速度和 PWM 頻率來滿足這些要求。例如，100kHz（圖 2）的開關頻率可以實現分辨率更高的電機電流，從而實現更小的電機電流紋波和更精確的控制。高分辨率電機電流波形也意味著可以獲得更好的正弦電流，這可以提高電機的運行效率并減少電機發熱。

圖 2 100kHz 和 10kHz PWM 電機電流

此外，增加 PWM 開關頻率可以減小 DC 總線電容器的尺寸和電容。對于要替換為陶瓷電容器的電解電容器，需要滿足的總線電容要求降低。伺服功率級 FET 通過 PWM 信號定期從總線電容器汲取電流。當 PWM 頻率增加時，每個單位時間消耗的電荷量減小，這意味著所需的總線電容減少。根據 TIDA-010936 的測試，將 PWM 頻率從 20kHz 提高到 80kHz 后，可以用電容相等的陶瓷電容器代替電解電容器，以獲得相似的總線電壓紋波。與電解電容器相比，陶瓷電容器具有明顯優勢：更小的尺寸、更長的使用壽命、更好的高頻特性等。

因此，在設計人形機器人時必須考慮速度更高的電流回路和更高的 PWM 頻率。對于 MOSFET 型伺服驅動器，PWM 開關頻率的增加會帶來很大的額外損耗，從而導致驅動器嚴重發熱。當開關頻率從 10kHz 增加到 20kHz 時，MOSFET 型驅動器會讓總體損耗增加 20%至 30%，這對于人形機器人是不可接受的。此外，GaN FET 在高頻下具有較低開關損耗。在 TIDA-010936 測試中，電路板損耗在 40kHz 和 80kHz 下幾乎相同，因此 GaN 特別適合高開關頻率場景。

圖 3 TIDA-010936 電路板在 48V 輸入電壓下的損耗與三相輸出電流間的關系

減少開關損耗

GaN 之所以能夠實現如此低的開關損耗，源于 GaN 器件的特性。GaN 器件具有更小的柵極電容 (CG) 和更小的輸出電容 (Coss)，可實現達到 Si-MOSFET 100 倍的開關速度。由于關斷和開通時間縮短，可以在較短的范圍內控制死區時間，例如 10-20ns，而 MOSFET 通常需要約 1us 的死區時間。死區時間的縮短可降低開關損耗。此外，GaN FET 沒有體二極管，但續流功能通過第三象限操作實現。在高頻 PWM 場景中，MOSFET 的體二極管會導致較大的反向恢復損耗（Qrr 損耗）。第三象限操作還可避免開關節點響鈴和由體二極管引起的 EMI 風險，從而降低對高功率密度人形機器人中其他器件的干擾。

尺寸更小

人形機器人的關節空間有限。電源板通常是直徑為 5-10 cm 的環形 PCB。此外，關節必須集成電機、減速器、編碼器甚至傳感器。重要的是，設計人員必須在有限的空間內實現更高的功率和更穩定的電機控制。與 MOSFET 相比，GaN 具有更小的 RSP（比電阻、裸片面積尺寸比較），這意味著與具有相同 RDSon 的 MOSFET 相比，GaN 具有更小的裸片面積。德州儀器 (TI) 通過集成 FET 和柵極驅動器進一步減小了占用空間。這樣可以實現 4.4mΩ 半橋 + 柵極驅動器，并且封裝僅為 4.5 x 5.5mm。

圖 4 LMG2100 方框圖

以 LMG2100R026 為例。該器件集成了半橋的 FET 和半橋驅動器，可承受 55A 的持續電流。將驅動器與 FET 集成有許多優勢，包括：

· 減少了柵極響鈴，讓運行更可靠

· 減小了電源回路電感并且優化了封裝尺寸

· 通過集成柵極驅動器減小了尺寸

· 通過集成的保護功能保護器件

為了在設計中比較 GaN 和 MOSFET，我們可以查看提供類似功率級別的 TIDA-010936 和 TIDA-01629 設計。如圖 5 所示，由于集成了柵極驅動器并降低了 GaN 的 RSP，整個功率器件的芯片面積減小了 50% 以上。

圖 5 GaN 與 MOSFET 功率級比較

總結

人形機器人對控制精度和功率密度的要求較高。GaN 可以在高 PWM 頻率下以低損耗輕松實現更高精度的電機控制。GaN 的高功率密度特性與德州儀器 (TI) 的集成式驅動器的特性相結合，可進一步減小尺寸。由于這些優勢，GaN 型電機驅動器可能會成為人形機器人的首選設計，帶來更高效、更穩定和更智能的機器人設計。

除了人形機器人之外，GaN 技術也是其他類型機器人（協作機器人、外科手術機器人、AGV）、工業伺服系統、家用電器和其他需要高功率密度的應用的理想選擇。

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